هل يمكن للماس أن يفتح المجال أمام تحسين البتات الكمومية في مجال الحوسبة الكمومية؟

استخدام الماس في الحوسبة الكمومية

على عكس أجهزة الكمبيوتر العادية التي تستخدم البتات (0 و1)، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية "الكيوبتات". يمكن للكيوبتات أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد بفضل خاصيتين كموميتين: تراكب و تشابك.

• تراكب يتيح للبتات الكمومية تمثيل كل من 0 و 1 في نفس الوقت، مما يؤدي إلى زيادة البيانات التي يمكن معالجتها بشكل كبير مقارنة بالبتات الكلاسيكية.
• تشابك يربط هذا المشروع وحدات البت الكمومية بطريقة تجعل حالة أحد وحدات البت الكمومية قادرة على التأثير بشكل فوري على وحدة بت كمومية أخرى، حتى عبر مسافات كبيرة.

تمكن هذه الخصائص وحدات المعالجة الكمومية من حل المشكلات المعقدة للغاية أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من خلال استكشاف حلول متعددة في وقت واحد.

"إن ميزة البتات الكمومية هي أنها قادرة على تخزين قدر أكبر من المعلومات مقارنة بالبتات العادية. وهذا يعني أنها قادرة أيضًا على تزويدنا بمزيد من المعلومات حول بيئتها، مما يجعلها ذات قيمة كبيرة كأجهزة استشعار، على سبيل المثال."

أليستير ستيسي - مدير الأبحاث الفيزيائية الرئيسي ورئيس قسم المواد والأجهزة الكمومية في PPPL.

ومع ذلك، فإن البتات الكمومية هشة للغاية، وقياس خصائصها ليس بالمهمة السهلة.

إذن ماذا لو اعتمدنا بدلاً من ذلك على واحدة من أصعب المواد على وجه الأرض ـ الماس ـ لأداء المهام في أكثر أجهزة الكمبيوتر تقدماً؟ هذه هي رؤية الباحثين في جامعة برينستون، الذين نشروا مؤخراً في مجلة Diamond And Related Materials، تحت عنوان "نموذج الكيمياء الكمومية لتفاعلات السطح والنموذج الحركي لنمو الماس: تأثيرات جذور CH3 وجزيئات C2H2 عند درجات حرارة منخفضة CVD¹".

وينضم هذا إلى أعمال باحثين آخرين في جامعة ملبورن وجامعة برينستون، والتي نُشرت تحت عنوان "طرق الحفاظ على مركز اللون من خلال إنهاء الماس بالهيدروجين²".

زراعة الماس حسب الطلب

الماس، الذي كان تاريخياً مجرد حجر طبيعي، يتم تصنيعه في الغالب من الكربون الخام هذه الأيام. ومع ذلك، تتطلب هذه العملية حرارة وضغطًا شديدين للغاية، لذا لا يمكن دمجه مع مواد أخرى مثل السيليكون المستخدم في رقائق الكمبيوتر. ولتحقيق هذه الغاية، يلزم تصنيع الماس في درجات حرارة منخفضة.

وقد تم بالفعل استكشاف بعض الأساليب، مثل استخدام الأسيتيلين وتقنية تسمى "الترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما".

المصدر PPPL

تكمن المشكلة هنا في أنه على الرغم من قدرته على إنتاج الماس المجهري، فإنه يتسبب أيضًا في ترسب الكثير من السخام، والذي قد ينمو فوق الماس ويمنع أداء الأجهزة البصرية وأجهزة الاستشعار والرقائق. وحتى الآن لم يكن من الواضح لماذا تكوّن السخام بدلاً من الماس.

درجة الحرارة والهيدروجين في جولديلوكس

وجد الباحثون أن هناك درجة حرارة محددة يتم عندها إنتاج الماس. فوق هذه الدرجة الحرجة، يساهم الأسيتيلين بشكل كبير في نمو الماس. تحت هذه الدرجة الحرجة، يساهم بشكل كبير في نمو السخام.

المصدر: الماس والمواد ذات الصلة

هناك عامل آخر يتمثل في نشاط ذرات الهيدروجين بالقرب من سطح الماس. فمع وجود المزيد من الهيدروجين بالقرب من السطح، يمكن أن يتكون المزيد من الماس، حتى في درجات الحرارة المنخفضة.

"لا تعمل ذرات الهيدروجين على تغذية نمو الماس بشكل مباشر، ولكن تفكك الهيدروجين أو تحلله أمر بالغ الأهمية لتحويل الميثان إلى الأسيتيلين ونقل الهيدروجين الذري إلى سطح نمو الماس. وكلاهما مهم لنمو الماس."

ألكسندر خرابر – باحث بجامعة برينستون

تفتح هذه الرؤى في تكوين الماس، معًا، الطريق أمام إنشاء ماس مجهري بشكل موثوق مباشرة داخل أشباه الموصلات السيليكونية دون الإضرار ببقية المادة بدرجات حرارة عالية أو خلق سخام غير مرغوب فيه.

الماس الكمي

قد يكون للماس البسيط المصنوع من الكربون فقط بعض التطبيقات في مجال البصريات وأجهزة الاستشعار. ولكن الأشكال الأكثر تقدمًا من الماس قد تكون أكثر فائدة.

على سبيل المثال، يتم تصنيع الماس الكمي عندما يتم استبدال بعض ذرات الكربون المكونة للماس بذرات أخرى، مثل النيتروجين، وإزالة بعض ذرات الكربون الأخرى. وهذا يخلق ما يسمى بالنتروجين الشاغر (NV).

في مثل هذا الماس، تبدأ الإلكترونات الموجودة بالداخل باتباع قواعد الكم بدلاً من الفيزياء الكلاسيكية، والتي يمكن استخدامها لبناء البتات الكمومية.

"لا تتصرف الإلكترونات في هذه المادة وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية كما تفعل الجسيمات الأثقل. بل إنها، مثل جميع الإلكترونات، تتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء الكمومية."

أليستير ستيسي - مدير الأبحاث الفيزيائية الرئيسي ورئيس قسم المواد والأجهزة الكمومية في PPPL.

إتقان كتاب الطبخ الماسي

حتى الآن، كانت طريقة استخدام البلازما في تكوين الماس بعيدة كل البعد عن الدقة. فقد كانت تعتمد على الكثير من التجارب والأخطاء، حيث لم يتم فهم النظرية التي توضح بالضبط ما يحدث على سطح الماس.

ومن الناحية المثالية، يمكن استخدام البلازما أيضًا لإضافة طبقة أحادية الذرة من الهيدروجين فوق الماس. ولكن في حالة الماس الكمومي، فإن درجات الحرارة المرتفعة من شأنها أن تدمر الفراغ النيتروجيني.

وبناء على ذلك، قام الباحثون ببناء نظام تحليلي متطور (باستخدام مطيافية التألق الضوئي) للحكم على ما يعمل بشكل أفضل لإنشاء طبقة هيدروجين على الماس غير المشبع بالنيتروجين.

المصدر واجهة المواد المتقدمة

وقد وجدوا أنه من الممكن استخدام طريقتين جديدتين، على الرغم من أن لكل منهما عيوبها الخاصة في الوقت الراهن.

المصدر واجهة المواد المتقدمة

• تشكيل الغاز التلدينوقد نجحت الطريقة التي تستخدم خليطًا من جزيئات الهيدروجين وغاز النيتروجين، ولكنها تتطلب غاز الهيدروجين النقي للغاية دون أي أكسجين، وهو أمر يصعب تحقيقه في درجات الحرارة المنخفضة.
• إنهاء البلازما الباردة، والتي تستخدم بلازما الهيدروجين بشكل غير مباشر، لم تلحق الضرر بمركز NV وكانت أسهل في التنفيذ، لكنها خلقت طبقة هيدروجين ذات جودة أقل على الماس.

"يسلط هذا الضوء على التوازن بين جودة السطح وخصائص NV التي يجب أن يتم تحقيق التوازن بينها في التطبيقات المستقبلية. على سبيل المثال، في مشاريع الاستشعار الجزيئي الحيوي، من الأهمية بمكان الحفاظ على NVs بالقرب من الأسطح."

دانييل ماكلوسكي - رباحث في جامعة ملبورن. 

وبشكل عام، تفتح هذه الاكتشافات الطريق أمام عدد من التطبيقات الجديدة للماس والتي كانت في السابق صعبة أو مستحيلة:

• الإنتاج المباشر على أشباه الموصلات السيليكونية، ودمج الماس مباشرة في الدوائر، وأجهزة الاستشعار، والترانزستورات.
• إنتاج الماس الكمي في شكل كيوبتات وظيفية، بما في ذلك طبقة هيدروجين دقيقة على سطح الماس.

أجهزة كمبيوتر كمية جديدة

حتى الآن، تم بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام أساليب معروفة نابعة من تكتيكات التصنيع التقليدية التي تستخدمها صناعة أشباه الموصلات. ولكن مع اختلاف التكنولوجيا الكمومية عن الحوسبة العادية، فمن المنطقي أن تكون المواد الجديدة أكثر ملاءمة من السيليكون التقليدي.

يمكن أن يشمل هذا الماس، مما يسمح في يوم من الأيام بإجراء الحوسبة الكمية في درجة حرارة الغرفة، وهو أمر لن يؤدي فقط إلى خفض التكاليف بشكل كبير، بل سيساعد أيضًا في إنشاء أجهزة كمبيوتر كمية أكبر.

"إن إنشاء جهاز محاكاة كمي يحتوي على أكثر من 50 كيوبت وجهاز كمبيوتر كمي في درجة حرارة الغرفة يفتح الباب أمام التوسع إلى عدد أكبر من الكيوبت، مثل 100 أو 1000، وهو ما من شأنه أن يغير قواعد اللعبة في مجالات مثل التشفير والذكاء الاصطناعي وعلوم المواد.

وستسمح هذه القدرة للعلماء باكتشاف الأدوية المنقذة للحياة بشكل أسرع، وحل مشاكل التحسين الصعبة، أو تطوير تقنيات توفير الطاقة بكفاءة أكبر.

مارتن كوبنهوفر - منسق المشروع في سبينوس

بالإضافة إلى الماس، هناك مواد جديدة مبتكرة أخرى مثل على سبيل المثال يمكن أيضًا استخدام الرنانات النانوية الميكانيكية الكهرضغطية المصنوعة من نتريد الألومنيوم في أجهزة الاستشعار الكمومية أو المحولات الكمومية.

وبشكل عام، من المرجح أن تكون المواد الجديدة المتقدمة بديلاً قوياً للسيليكون وتدفع وعود الحوسبة الكمومية إلى أبعد مما يمكننا أن نتخيله اليوم.

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

إن الحوسبة الكمومية لا تزال في بداياتها، ولكنها نجحت بالفعل في جذب انتباه كل شركة حوسبة كبيرة ساهمت في ثورة السيليكون حتى الآن.

ربما يظل هذا الاستخدام مقتصرا إلى الأبد على تطبيقات محددة أكثر مما يحدث في أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا، ولكنه لا يزال من الممكن أن يصبح أداة في نمذجة الفيزياء، والأحياء، وعلوم المواد، والتشفير، والتطبيقات العسكرية.

يمكنك الاستثمار في شركات الحوسبة الكمومية من خلال العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور عليها هنا، على الأوراق المالية.io، توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية, كندا, أستراليا, المملكة المتحدة, وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، فيمكنك أيضًا البحث في صناديق الاستثمار المتداولة مثل صندوق ProShares Nanotechnology ETF (TINY) أو ال صندوق الحوسبة السحابية WisdomTree (دبليو سي إل دي) والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من أسهم الحوسبة الكمومية والتكنولوجيا النانوية.

أو يمكنك إلقاء نظرة على قائمتنا لـ "أفضل 10 أسهم في مجال تكنولوجيا النانو" و "أفضل 5 شركات للحوسبة الكمية".

شركات الحوسبة الكمومية

كانت شركة آي بي إم (IBM) هي القوة الرائدة وراء تسويق أول حاسوب مركزي.

ومع ذلك، فقد تراجعت مؤخرًا في حجم الإنتاج مقارنة بشركات التكنولوجيا العملاقة الأخرى مثل Apple (AAPL )، تي إس إم سي (TSM )و NVIDIA (NVDA )

ومع ذلك، فهي في طليعة تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. على سبيل المثال، طورت حاسوبها الكمي "Eagle" بسعة 127 كيوبت، والذي تبعه نظام 433 كيوبت المعروف باسم "Osprey".

وهذا الآن يليه "كوندور"، وهو معالج كمي فائق التوصيل بسعة 1,121 كيوبت تعتمد على تقنية بوابة الرنين المتقاطع، إلى جانب معالج "هيرون" الكمي الموجود على حافة المجال.

يمكن أن تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من التحكم المغناطيسي المحسن، مما يعزز استقرار الكيوبت وموثوقيته، وهو أمر ضروري لقوة المعالجة.

وعلى نحو مماثل، فإن التقدم في مجال الموصلات الفائقة، التي تعتمد على المجالات المغناطيسية الخاضعة للرقابة، قد يؤدي إلى نقل الطاقة وأنظمة التبريد بكفاءة أكبر، وخاصة في درجات الحرارة المرتفعة.

تشارك شركة IBM في معظم الابتكارات الأخرى المتطورة في مجال الحوسبة وصناعة أشباه الموصلات. وتشمل هذه إجراء المواد العضوية, الحوسبة العصبية, الضوئيات، الخ.

وإلى حد ما، أصبحت شركة آي بي إم "شركة براءات اختراع" تتمتع بالخبرة في تطوير أساليب الحوسبة الجديدة وترخيصها للصناعة.

حتى الآن، يبدو أنها عازمة جدًا على الاحتفاظ بأكبر عدد ممكن من براءات الاختراع الرئيسية في جميع أساليب الحوسبة غير السيليكونية التي يمكنها الحصول عليها، لتكرار نجاحها السابق عندما ساهمت بشكل كبير في تطوير صناعة أشباه الموصلات إلى العملاق الذي هي عليه اليوم.

مرجع الدراسة:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). نموذج الكيمياء الكمومية لتفاعلات السطح والنموذج الحركي لنمو الماس: تأثيرات جذور CH₃ وجزيئات C₂H₂ عند الترسيب الكيميائي للبخار عند درجات حرارة منخفضة. الماس والمواد ذات الصلة، 149، 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). طرق الحفاظ على مركز اللون من خلال إنهاء الهيدروجين في الماس. واجهات المواد المتقدمة، 11(شنومكس)، شنومكس. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}